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지시약에 의한 pH 측정실험

Ⅰ. 실험목표

각종 지시약에 의한 pH 표준용액의 색깔변화를 관찰한다.

Ⅱ. 배경이론

pH의 정의

pH는 수용액의 산도 혹은 염기도를 측정하는 것을 말한다. 수용액의 산도와 염기도는 존재하는 H+ 이온과 OH- 이온의 상대적인 수에 의해서 결정된다. 산성용액은 상대적인 H+ 이온의 개수가 많고 염기성 용액은 OH- 이온의 수가 많다. 산은 해리되서 H+ 이온을 생성하거나 물과 반응해서 H+ 이온을 만들어낸다. 반면 염기는 해리되어 OH-이온을 생성하거나 물과 반응해서 OH- 이온을 만들어낸다. 수용액에서 H+ 이온과 OH- 이온의 개수는 해리상수 (dissociation constant ; Kw)와 동일하다. 25℃에서 Kw의 값은 10-14이다.

H+ 이온의 활동도는 몰농도에 활동도계수를 곱해서 얻는다. H+ 이온의 활동도계수는 용액 내에서 H+ 이온과 다른 화학종들과의 상호작용을 나타내는 값이다. 25℃에서 중성용액은 pH 7.0이고 보통의 pH 구간은 pH0 ~ pH14이지만 유기용매를 포함하는 용액은 이 범위를 벗어날 수 있다.

pH = - log10{수소 이온의 농도}

pH = -log10{수소이온의 activity}= -log10{수소이온의 농도× activity constant}

Activity constant는 이온이 화학반응에 참여하는 정도를 표시한 양으로 묽은 용액처럼 이온수가 적을 경우 1.0이며 이온 농도가 많아지면 1.0보다 작다.

(1) pH와 산성, 염기성의 관계

물은 자동이온화과정을 통해 1.0×10-7M(몰농도)의 수소이온과 1.0×10-7M의 수산화이온을 만든다. 그래서 중성인

물의 pH는 -log10(1.0×10-7) = 7 이다. 용액 속에 수소이온이 많을수록 작은 값의 pH를 갖고, 수소이온이 적을수록 큰 pH값을 갖는다. 순수한 물의 pH인 7을 기준으로 pH 값이 7보다 작은 용액은 산성용액, 7보다 큰 용액을 염기성용액이라 한다.

(2) 지시약

① 의미: 자신은 약산 및 약 염기성 물질로 수용액이 산성인지 염기성인지를 조사하거나 산과 염기가 중화하는 점을 알아보기 위하여 쓰이는 약품. 산성인가 염기성인가에 따라서 지시약의 색소 분자 구조가 달라지므로 특유한 색깔이 나타난다. 많이 쓰이는 지시약에는 리트머스, 페놀프탈레인, 메틸오렌지, BTB, 등이 있다.

② 지시약의 반응: 용액 중에서 지시약은 평형을 이룬다.

․ HIn의 색과 In-일 때의 색이 다르기 때문에 산, 염기에서의 색이 다름

․ 산성 용액에서 : In-가 염기로 작용 : 산으로부터 H+을 받아 평형이동(역반응)

▶ 지시약은 HIn의 색을 띰

․ 염기성 용액에서 : 염기의 OH-가 HIn의 H+과 결합 정반응으로 평형이동 대부분 In-의 형태로 존재

▶ 지시약은 In-의 색을 띰

③ 몇 가지 지시약의 변색 범위

④ 대표적인 지시약의 액성에 따른 색 변화

(3) 천연지시약

① 색변화 원인물질 - 안토시아닌(anthocyanin)

안토시아닌은 양배추 이외에도 여러 가지 자연식물의 꽃과 과일에서 발견된다. 안토시아닌이 있는 식물이면 무엇이든지 pH에 따라 색이 변하기 때문에 지시약으로 사용될 수 있다. 여러 식물들이 똑같은 안토시아닌을 가지고 있음에도 불구하고 천차만별의 서로 다른 색을 가지는 것은, 안토시아닌이 식물체 속의 다른 칼륨, 마그네슘 등의 금속 염과 여러 가지 복잡한 착물을 형성하기 때문이다. 안토시아닌이 pH에 따라 어떻게 변하는지 그 구조를 살펴보자.

 아래 그림은 안토시아닌의 구조가 여러 다른 pH 조건하에서 어떻게 변하는지 전형적인 예를 보여준다.

보라색의 양배추를 즙을 내고 물로 희석시키면, 양성자의 이동이 생기면서 붉은색의 <구조Ⅰ>로 된다.

여기에 염기가 첨가되면 수소이온이 사라지면서 파란색을 띠는 <구조Ⅱ>로 바뀌게 된다. 안토시아닌이 색을 나타내는 것과 관련된 구조는 3-4개뿐이다. 그런데, 안토시아닌의 색변화는 이 3-4개의 구조가 모두 가역적이기 때문에, 색을 내거나 색이 없는 종 사이의 평형에 의해 나타난다. 복잡한 평형이 두 색깔을 가진 종 사이에 빠르게 형성된다. 또는 색이 없는 두 종 사이에 평형이 빠르게 형성되어 우리에게 색이 보이는 것이다. 이러한 모든 과정이 가역적이라서 pH를 달리 하면서 여러 가지 색을 볼 수 있게 되는 것이다. 그러나 강한 염기성을 나타낼 때까지 염기를 첨가한 다음엔 다시 산을 첨가하여도 원래의 고유한 붉은색을 보기가 어렵다. 그 이유는 3구조는 물이나 공기 중의 산소에 의하여 빠르게 산화하어 갈색의 중합체로 되기 때문이다.

Ⅲ. 실험재료

pH 표준용액(1~12), 메틸오렌지, BTB용액, 페놀프탈레인용액, 양배추지시약, 만능지시약, 96well Plate(white)

Ⅳ. 실험과정

① 96well Plate에 숫자가 적혀 있는 대로, pH 표준용액을 1부터 12까지 2/3정도 찰 때까지 따른다. (A열에서 E열 까지 총 5열을 따른다.)

② A 열에는 메틸오렌지, B열에는 BTB용액, C열에는 페놀프탈레인용액, D열에는 양배추지시약, E열에는 만능지시 약을 한 방울 씩 떨어뜨린다.

③ 약 1분이 지난 후 표준용액의 색깔변화를 관찰하고 기록한다.

Ⅳ. 실험결과 및 토의

(1) 실험결과를 다음 표에 작성해보자(or 사진을 찍어 붙이세요)

(2) 실험한 지시약 외 다른 지시약을 조사하여 그 지시약의 변색범위를 기록하세요.

① 메틸레드 ② 콩고레드 ③ 티몰블루 ④ 페놀레드

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